预制椭圆形缺陷类岩石材料单轴压缩试验与数值模拟研究

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本文利用水泥砂浆材料制备裂隙至圆孔渐变的含缺陷类岩石材料试件,通过对预制而成的缺陷类岩石试件进行单轴压缩试验,类岩石缺陷尺寸变化值m(m=(a-b)/(a+b))为0、0.14、0.33、0.60和0.95以及与正应力的夹角α为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的变化下,结合岩石断裂力学理论、室内试验和数值模拟手段,得到了缺陷岩石单轴受压下力学响应机制,分析了缺陷倾角等变量对缺陷试样破坏特征的影响,加大地下建设者和工作者对含特定缺陷的岩石扩展特性的了解,对预测地下工程周围岩石结构破坏具有重要意义。本文主要结论如下:(1)缺陷的存在对本次试验的峰值强度有弱化作用,其中圆孔缺陷对强度的弱化效果是最为明显;含缺陷试件的峰值强度随着m值增加而增大,缺陷的倾角为α=0°及当缺陷的长轴与加载的应力平行时,缺陷类岩石的峰值强度为最大;缺陷类岩石峰值强度随着缺陷倾角的增加呈现先降低后增加的趋势,在倾角达到45°与60°时缺陷类岩石的峰值强度为最低;(2)缺陷类岩石的起裂点受到缺陷m值和倾角α影响。其中当m值一定时,α从0°到90°的增加过程中,起裂点逐渐从长轴端点处往短轴端点靠近;当α一定时,随着m值的减小,起裂点从最开始的长轴端点附近往短轴端点附近偏移。分析可知,其主要原因是当m减小时,缺陷试件内部张拉应力集中区域减小,导致起裂的拉应力集中范围降低,从而使得起裂点向短轴附近偏移;(3)缺陷类岩石的裂纹扩展在缺陷的上下端点萌生张拉裂纹,并沿主应力方向扩展,部分试件萌生的张拉裂纹消失至肉眼观察不见,而在缺陷的左右端点萌生剪切裂纹,沿对角线扩展贯通,在缺陷的左右端点处发生表面剥落现象。数值模拟分析发现,裂纹在上下端点的萌生主要是因为在缺陷的上下部分的拉应力集中,而在左右端点的剪切裂纹主要是压缩应力的集中;(4)模拟试件的裂纹发育过程中的剪切裂纹、张拉裂纹和总裂纹数量统计分析发现,裂纹发育越靠近峰值时,其增加的速率越大,达到峰值后裂纹增加的速率最大,试件在荷载破坏过程中随着内部裂纹的萌生导致裂纹扩展的加速;(5)缺陷试件的贯穿破坏面可分为张拉破坏面和剪切破坏面。最终破坏模式分为,只有剪切破坏面的剪切破坏模式,和既有剪切破坏面也张拉破坏面的拉-剪混合破坏。并且最初萌生的裂纹不一定发育成为最终的破坏面。
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